高速电梯轿厢水平振动控制研究

独善其身

　　摘要：随着城市现代化进程的飞速发展，涌现出了很多高层和超高层建筑，对电梯速度的要求也越来越高。电梯速度的提高势必会使轿厢的水平振动加剧，严重影响电梯的使用寿命和乘坐舒适度。如何控制高速电梯的水平振动，已成为当前业内人士非常关注的一个问题。随着对振动控制技术的研究，主动控制振动技术已成为解决电梯振动的一个新途径。本文论述了电梯系统的组成及工作原理，建立了电梯水平振动的动力学模型并对其进行了验证，确定模型可用后，设计了液压主动导靴的试验台架，最终通过试验确定液压主动导靴可以有效地控制高速电梯轿厢水平振动。

　　关键词：高速电梯;水平振动;液压导靴;动力学模型

　　1 引言

　　随着城市现代化进程的飞速发展，涌现出了很多高层和超高层建筑，对电梯速度的要求也越来越高。电梯速度的提高势必会使轿厢的水平振动加剧，严重影响电梯的使用寿命和乘坐舒适度。传统的减振措施(如提高导轨精度、改变电梯尺寸、在轿架与导靴间安装减振弹簧等)具有简单易行、经济可靠的特点，但其只适用于低速电梯，在高速电梯中应用还存在一定的弊端。如何控制高速电梯的水平振动，已成为当前业内人士非常关注的一个问题。随着对振动控制技术的研究，主动控制振动技术已成为解决电梯振动的一个新途径。

　　2 电梯系统组成及主动导靴控制机理

　　电梯系统非常复杂，轿厢作为电梯的载客部分，是电梯系统的重要组成部分。轿厢主要由轿厢体、轿架以及导靴系统组成。在轿厢体与轿架之间嵌有橡胶垫块，滚动式导靴安装在高速电梯轿架的上下两侧。

　　当导轨表面不平时，可以通过导靴系统传递给轿厢，使轿厢产生水平振动。因此采用主动导靴控制导轨表面的平整度，可以降低电梯的水平振动。将液压油缸安装在导靴支架与导轮的支撑摇臂之间，作为主动导靴的执行机构，替代被动导靴中的减振弹簧。控制阀使用高速开关阀，通过开启和关闭高速开关阀来控制油缸内的油压。系统的控制机理为恒压力控制，当电梯沿着平直的理想导轨运行时，进油阀和回油阀处于关闭状态，液压执行器的油腔为密封腔，油压值保持为初始设定值P0，受预紧力的作用，导轮紧贴在导轨上，此时电梯轿厢不会发生水平振动。当导轨表面存在突起时，导轮会随着突起偏向轿厢，油缸内油压会升高，此时进油阀关闭，回油阀开启，油缸回油至压力恢复到初始值P0;当导轨表面存在凹陷时，导轮会远离轿厢，油缸内油压会降低，此时回油阀关闭，进油阀开启，使油缸内的油压恢复为P0。通过这样控制，保持油缸内的油压始终为P0，既可保证导轮与导轨的紧密接触，避免由于导轨不平使高速电梯轿厢产生水平振动。

　　3 建立模型

　　通过建立电梯水平振动的动力学模型，对高速电梯的水平振动进行实时仿真，可以验证水平振动主动控制系统的性能和效果。为了简化模型，在建模的时候可以做以下假设：轿厢体与轿架为刚性连接;由于滚轮与导轨的相对位移较小，将导靴简化为质量弹簧阻尼系统;各导轮的结构和参数完全相同;仅考虑导轨激励。基于以上假设建立电梯水平振动的动力学模型，并验证模型的有效性。可以选择一个高速电梯进行测试，测出一组得一组导轨激励数据以及该导轨激励作用下的电梯轿厢水平振动响应，以所测导轨激励为输入，对模型进行了仿真。将仿真得出的振动曲线和功率谱密度曲线与实测的振动曲线和功率谱密度曲线进行比较，结果发现仿真所得曲线的主振动频率与实测曲线的主振动频率非常接近，证实仿真结果与实测结果基本相符。可以采用这个模型进行电梯轿厢水平振动的研究。

　　4 设计模糊控制器

　　液压系统是一种非线性系统，采用常规控制方法难以达到好的控制效果。由于模糊控制的输人输出变量本身是模糊化的，它不依赖于系统精确的物理参数，有较好的鲁棒性，因此采用模糊控制器作为系统的控制器。模糊控制规则确定的原则是：当误差为大或较大时，控制量的选择应该以尽快消除误差为主，而当误差较小时，控制量的选择要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。误差为正时与误差为负时类似，只要改变相应的符号。输出变量的解模糊化采用工程中常用的面积重心法。

　　液压执行器的油压及其导数作为模糊控制器的两个输入量，以高速开关阀的PWM驱动信号的占空比作为输出量。当τ取正值的时候，表示进油阀打开，其中PWM驱动信号的占空比为τ，回油阀关闭;当τ取负值的时候，表示回油阀打开，其中PWM驱动信号的占空比为τ的绝对值，进油阀关闭。各输人变量及输出变量的模糊子集采用三角形或梯形隶属函数。

　　5 仿真研究

　　为了验证液压主动导靴及其控制系统的有效性，在SIMULINK环境下进行了仿真计算。仿真计算时，以实测导轨激励作为输人信号，设定电梯运行速度为 3m/s，以电梯轿厢底部中心位置的水平振动加速度为被观测目标。从仿真结果可以看出，使用被动导靴时所得振动加速度的最大值为0.2787m/s，均方根为0.0901m/s;使用液压主动导靴时所得振动加速度的最大值为0.1419m/s，比使用被动导靴时降低了49.09%，均方根为0.0456m/s，比使用被动导靴时降低了49.39%。由此得出：使用液压主动导靴可以有效地降低电梯的水平振动。

　　6 结束语

　　高速电梯轿厢水平振动严重影响电梯的使用寿命和乘坐舒适度。采取主动控制振动技术，可以有效的降低高速电梯轿厢的水平振动。经过建立模型，设计模糊控制器，并进行仿真效果研究，证明液压主动导靴具有较好的性能，可以有效地降低电梯的水平振动。而且，液压主动导靴结构简单，便于安装，能够实现对现有电梯的改造。

　　参考文献：
　　[1] 朱昌明.电梯与自动扶梯[M].上海：上海交通大学出版社，1995
　　[2] 李醒飞，张晨阳，李立京.电梯导轨对轿厢振动的影响[J].中国机械工程，2005
　　[3] 李立京.电梯轿厢水平振动模型[J].起重运输机械，2002



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